Para qué sirve la Física?

• Nos ha llevado a revelar la estructura intima del ADN

• El Nacimiento del Universo, galaxias, la medición del tiempo, los temblores de la tierra, el arco iris

• Prácticamente no hay objeto o fenómeno natural cuya descripción y comprensión profunda no descanse, hoy día, en algún concepto básico, método, o Leyes fundamentales de la FÍSICA.

• Cómo puedo yo detectar un problema “real” de los seres vivos, y darle solución desde la Física?

“Los problemas que trata conciernen a la Biología. Los métodos que utiliza son los de la Física”.

Qué es la Biofísica?

• Archibald, 1922. El estudió de la estructura, organización y función Biológica por medio de ideas y métodos físicos o fisicoquímicos.

• Disciplina que trata de la aplicación de los principios y métodos de la física a problemas biológicos.

• Ciencia compuesta que engloba la aplicación de los principios y métodos físicos al estudio y aplicación de las estructuras de los organismos vivientes y los mecanismos de los procesos vitales.

FISICA QUIMICA B I O L O G I A

CITOLOGIA HISTOLOGIA ANATOMIA Y FISIOLOGIA

PARTICULAS ATOMICAS

ATOMO ORGANULOS

TEJIDOS

ORGANOS

SISTEMAS

ORGANISMOS

PLURICELULARES

PROGRESIVO AUMENTO EN TAMAÑO Y COMPLEJIDAD

CELULA MOLECULA

COMUNIDAD

ECOSISTEMAS

ECOLOGIA

HECHOS OBSERVADOS MODELO FISICO

ANALISIS

MATEM

ATICO

CONSTRUCCION

DE MODELOS

PREDICCIONES

CUANTITATIVAS

EXPERIMENTALES

COMPROBABLES

Un enfoque para comprensión de los fenómenos naturales

BASES DE LA BIOFISICA

• Los animales se construyen a partir de materiales naturales y, por lo tanto, obedecen a las mismas leyes físicas y químicas que se aplican a cualquier cosa que esta a nuestro alrededor.

• Debido a la relevancia de estas leyes, los biofísicos utilizan a menudo conceptos o técnicas de las Ciencias Físicas y Químicas, incluidas las Ingenierías.

La mecánica: cómo funcionan los organismos.

• Biomateriales. Proteínas, lípidos, carbohidratos, ácidos nucleicos: Las propiedades mecánicas de estas biomoleculas son las que confieren la forma y la función en las células, tejidos, organos, individuo.

Resistencia• Volumen• Fuerza• Rozamiento• Trabajo, Energía, Potencia:

Biofísica muscular.

Diseño de órganos artificiales y prótesis.

Fluidos.

• Hidrostatica: Fluidos, presiones. Principio de Pascal, Principio de Aquimedes, Fuerzas de cohesión y adhesión, Viscosidad, Principio de Bernoulli, Tensión superficial: Presión arterial, Presión venosa.

• Hidrodinámica. Principio de Bernoulli, resistencia, Ley de poiseuille: Hemodinamica.

MECANICA CUANTICA. Procesos microscópicos como la Fotosíntesis

OPTICA. El Ojo.

RADIACIÓN.

• LA ACUSTICA. Oido.

Termodinámica: Estudio de los procesos en que intervienen intercambios de energía.

• Temperatura• Leyes de la termodinámica• Calor especificoLa mayoria de los procesos

fisiológicos se ven afectados por la temperatura; La velocidad de la mayoría de las reacciones químicas aumenta con el aumento de la temperatura. Este aumento, incrementa la energía de las moléculas y provoca el aumento del número de colisiones entre las moléculas en un sistema cerrado.

ENERGIA Y DINAMICA DE LOS SISTEMAS BIOLOGICOS.

EnergíaTérmica

EnergíaQuímica

EnergíaRadiante

EnergíaEléctrica

EnergíaMecánica

Los animales dependen de 5 tipos de energía, que son interconvertibles

ENERGIA RADIANTE

Es energía que es liberada desde un objeto y transmitida a otro objeto a través de ondas o particulas. El sol, es la fuente de energía radiante que sirve de fuente para los organismos fotosinteticos.

ENERGIA MECANICA

• Es una combianción de energía Potencial y Energía cinética que puede usarse para mover objetos de un lugar a otro. Ej. La locomoción animal.

ENERGIA ELECTRICA.

• Es una combinación de energía potencial y energía cinética que resulta del movimiento de particulas cargadas sometidas a gradientes de carga.

Electrofisiología: Potenciales eléctricos.

• Las células establecen una diferencia de cargas a través de las membranas biológicas mediante el movimiento de iones y moléculas que crean gradientes iónicos y eléctricos a través de las membranas. Los músculos y las neuronas, utilizan cambios en el potencial de membrana para enviar señales.

ENERGIA TERMICA

• Es una forma de energía cinética que se refleja en el movimiento de las partículas, y sirve para aumentar la temperatura.

ENERGIA QUIMICA

• Es una forma de energía potencial que se almacena en los enlaces químicos.

LA MAYORIA DE LA ENERGÍA DISPONIBLE BIOLOGICAMENTE ESTÁ ALMACENADA EN FORMA DE ENLACES QUIMICOS.

 ENERGIA DE FORMACION

TIPO DE ENLACE (kcal/mol)

ENLACES DEBILES  

Van del Waals 1

Hidrógeno 1-5

Iónico 5

Hidrofóbico -1

ENLACES COVALENTES  

Enlaces sencillos  

O-H, H-H, P-O,C-H 400-460

N-H, C-O, C-C, S-H 340-390

S-S, N-O 214-222

Enlaces dobles  

C=O 712

C=N 615

C=C 611

P=O 502

Enlaces triplies  

C C 816

N N 930

Los enlaces débiles controlan la estructura macromolecular. Se presentan en los átomos con distribución asimetrica de electrones.

Interacciones de Van der Waals. Interacción entre dipolos transitorios. Son efectivas solo cuando las distancias atómicas son pequeñas.

Puentes de Hidrogeno. Los electrones son compartidos asimétricamente entre dos átomos.

Enlace ionico. Interacción de aniones y cationes.

Uniones hidrofóbicas. Se forman entre atomos a causa de su mutua aversión al agua.

• Los puentes de hidrógeno son los responsables de las propiedades características del agua; entre ellas, de la gran cohesión , o atracción mutua, de sus moléculas. La cohesión trae como consecuencia la alta tensión superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamente sobre la superficie del agua flote.

• Tensión superficial de los líquidos a 20ºC

• Líquido g (10-3 N/m)• Aceite de oliva 33.06• Agua 72.8• Alcohol etílico 22.8• Benceno 29.0• Glicerina 59.4• Petróleo 26.0

• Muchas de las propiedades de las disoluciones verdaderas se deducen del pequeño tamaño de las partículas dispersas. En general, forman disoluciones verdaderas las sustancias con un peso molecular inferior a 104 dalton. Algunas de estas propiedades son función de la naturaleza del soluto (color, sabor, densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, etc.). Otras propiedades dependen del disolvente, aunque pueden ser modificadas por el soluto (tensión superficial, índice de refracción, viscosidad, etc.).

• Sin embargo, hay otras propiedades más universales que sólo dependen de la concentración del soluto y no de la naturaleza de sus moléculas. Estas son las llamadas propiedades coligativas.

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS

SOLUCIONES.LOS SOLUTOS INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES FISICAS

DEL AGUA.

• Muchos solutos son capaces de disolverse en agua porque pueden formar puentes de hidrogeno con las moléculas de agua. Estas moleculas, se hallan a menudo rodeadas de una capa de moléculas de agua denominada lámina de hidratación.

En los tejidos animales, los solutos más habituales son los iones inorgánicos.

Concentration (mM)

Intracellular ExtracellularSquid axonK+ 400 20Na+ 50 440Cl- 40–150 560Ca2+ 0.0001 10Urea aminoácidos y azucares

Mammalian cellK+ 140 5Na+ 5–15 145Cl- 4 110Ca2+ 0.0001 2.5–5

Propiedades coligativas.

• Los solutos reducen el punto de congelación de una solución, e incrementan el punto de ebullición, la presión de vapor y la presión osmótica de la solución. Las propiedades coligativas dependen únicamente de la cantidad de soluto, no de su tamaño o carga.

• Descenso de la presión de vapor• Descenso crioscópico • Ascenso ebulloscópio• Presión osmótica.

DESCENSO RELATIVO DE LA PRESIÓN DE VAPOR

Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, la presión de vapor de éste en la solución disminuye.

Cuanto más soluto añadimos, menor es la presión

de vapor observada

P solución < P solvente puro

P = P° - P

Ley de Raoult. El descenso relativo de la presión de vapor de una solución diluida es igual a la

fracción molal del soluto.

PA = XA P°A

PA : Presión de vapor del componente A

XA : Fracción molar de A

P°A : Presión de vapor de A puro

Para un soluto no volátil:

P = P°A XB

donde:P : Disminución de la presión de vapor

XB : fracción molar del soluto B no volátil

P°A : presión de vapor del solvente A puro

• Calcule el descenso de la presión de vapor de agua, cuando se disuelven 5.67 g de glucosa, C6H12O6, en 25.2 g de agua a 25°C. La presión de vapor de agua a 25°C es 23.8 mm Hg ¿Cuál es la presión de vapor de la solución?

Para una solución ideal:

Si los componentes son los líquidos A y B:

Psolución = P°A XA + P°B XB

Psolución : Presión de la solución ideal

P°A y P°B : Presiones de vapor de A y B puros

XA y XB : Fracciones molares de A y B

Aplicaciones.

• Una solución líquida consiste en 0,35 fracciones mol de dibromuro de etileno, C2H4Br2, y 0,65 fracciones mol de dibromuro de propileno, C3H6Br2. Ambos son líquidos volátiles; sus presiones de vapor a 85°C son 173 mm Hg y 127 mm Hg, respectivamente. Calcule la presión de vapor total de la solución.

DESCENSO CRIOSCÓPICO. Disminución del punto de congelación.

Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, el punto de congelación de éste disminuye.

La temperatura de congelación de las disoluciones es más baja que la temperatura de congelación del disolvente puro

Pto. Cong. solución < Pto. Cong. solvente puro

Tf = Tf solvente - Tf solución

Tc = Kc m

• Donde: Tc = Disminución del punto de congelación• Kc = constante crioscópica del disolvente• m = concentración molal del soluto

• Para el agua, este valor es 1,86 ºC/mol/Kg. Esto significa que las disoluciones molales (m=1) de cualquier soluto en agua congelan a -1,86 º C.

Ascenso Ebulloscópico• La temperatura de ebullición de un

líquido es aquélla a la cual su presión de vapor iguala a la atmosférica.

Cualquier disminución en la presión de vapor (como al añadir un soluto no volátil) producirá un aumento en la temperatura de ebullición

Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, el punto de ebullición de éste aumenta.

Pto. Eb. ss > Pto. Eb. solvente puro

Te = Te solución - Te solvente

Te = Ke • m

• Donde: Te = Aumento del

punto de ebullición• Ke = Constante

ebulloscopica del disolvente.

• m = molalidad de la solución

PROPIEDADES DEL AGUA Y OTROS SOLVENTES.

  PUNTO DE PUNTO DE CALOR DE

SOLVENTES CONGELACION °C EBULLICION °C EVAPORACION (J/g)

AGUA 0 100 2260

METANOL -98 65 1100

ETANOL -117 78 854

PROPANOL -127 97 687

ACETONA -95 56 523

BUTANO -135 -0,5 381

HEXANO -98 69 423

BENZENO 6 80 394

CLOROFORMO -63 61 247

• El punto de congelación de los fluidos biológicos como el citoplasma o la sangre, es siempre menor que el del agua dulce, y a veces incluso menor que el del agua salada. La diferencia entre el punto de congelación de los fluidos corporales y el ambiente acuático tiene importantes consecuencias en los animales acuáticos.

• LA COHESIÓN• Se define como la fuerza de atracción entre partículas (como son

las moléculas que forman los líquidos) de la misma clase.• Si tenemos dos partículas de forma aislada como en la siguiente

figura, cada una de ellas se verá afectada por una fuerza que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.

• LA ADHERENCIA• La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies

de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a causa de la adherencia y cohesión.